[实用新型]无导轨快速稳定FTIR光谱探测装置

说明书

本实用新型涉及无导轨快速稳定FTIR光谱探测装置及探测方法，该装置包括半透半反分束器、定镜、动镜组、会聚镜、探测器及电路硬件处理系统和计算机软件数据处理显示系统；动镜组包括动镜、固定折返镜和无导轨微位移器件；无导轨微位移器件固定在基座上，动镜与无导轨微位移器件的驱动部件连接。本实用新型取消了传统FTIR中动镜运动所需的导轨，不仅从根本上解决动镜驱动的稳定性难题，而且动镜扫描干涉图的频率可超过1KHz，使得谱图响应率大幅提高，具有多光程实现方式可选择性强、光谱分辨率高、抗干扰能力强的优点，特别适用于对高速运动、快速变化等复杂场合的光谱测量需求。

技术领域

本实用新型属于光谱成像技术领域，涉及一种无导轨快速稳定傅里叶变换红外(FTIR)光谱探测的装置。

背景技术

光谱成像技术，能够同时获得目标的两维空间信息和一维光谱信息，广泛应用于军事、医学、工业、农业、资源环境、大气探测、天文等方面，发展正方兴未艾。干涉型光谱成像技术是光谱成像技术中的主要分光类型之一。FTIR属于时间调制型(动态)干涉光谱成像技术，是干涉型光谱成像技术的主要技术之一，主要基于迈克尔逊干涉仪。FTIR光谱仪通过其干涉仪中动镜的运动而产生不同的光程差，以时间积分的方式记录所有不同光程差下辐射目标对应的不同干涉级次的干涉图(条纹)信号，对干涉图进行傅里叶变换积分获得目标的光谱。FTIR光谱仪通量高、信噪比高，但对动镜运动中的速度和姿态控制要求很高。

也因此，动镜的运动方式出现了多样化。按照动镜运动和产生光程差的方式不同，可以分为直线运动式、摆动运动式、旋转运动式。其中，直线运动式是指动镜以匀速直线运动方式产生光程差，其主要难点是研制高稳定性的动镜扫描系统。传统直线运动式FTIR光谱仪中，动镜驱动机构主要采用音圈直线电机驱动高精密机械轴承导轨、磁悬浮导轨、气浮导轨等，但都对外界环境干扰特别是细微的振动都非常敏感，稳定性较差，难以应用在复杂的工况环境中。摆动运动式和旋转运动式主要是通过设计合适的分光光路，使动镜作一定角度的摆动或旋转，进而产生光程差。旋转运动式还包括透射式和反射式。由于将动镜的直线运动改变为摆动或转动，动镜的转速和旋转角度较易控制，使得系统可靠性高，抗干扰能量强。在旋转运动式中，通过动镜的高速旋转，获得光谱图的频率高(以下称为谱图响应率)，目前商业产品已经可以达到50Hz，实验室也有近1KHz的谱图获取率。谱图的快速获取使得FTIR可以应用于对高速运动、快速变化等场合的光谱测量需求，例如高速运动的汽车、飞机，爆炸过程、化学反应过程等。爆炸和化学反应等过程需要的时间分辨超过毫秒级别，甚至要求微秒或更高。但是直线运动式的谱图响应率则较低，一般低于20Hz。目前所有FTIR的谱图响应率还不足以解决对ms及以上的超快变化谱图的要求。

一方面，对传统FTIR来讲，谱图响应率还不够高，不足以满足某些快速场合的要求。另一方面，在直线运动式FTIR中，动镜驱动稳定性有待提高以适应较为复杂的外界环境。典型的位移扫描机构中，欲达到1KHz响应率，须用微位移机构。但微位移机构响应率根据微位移大小和负载的不同而不同。对超过1KHz的微位移机构，如压电陶瓷，位移在纳米与几百微米之间。无法达到足够的光程差以满足光谱分辨率的要求。为增大光程差，本实用新型提出采用多光程往返折叠光路的方法。典型的多光程实现方法有怀特(White)池、赫里奥特(Herriott)池、矩阵型和它们的改进型，以及基于角镜的多光程方法等，例如发明专利“一种实现多光程的方法”(ZL 201010574558.2)以及“一种多光程干涉仪分光方法及应用该方法的多光程干涉仪”(ZL 201010575359.3)。但传统的怀特(White)池、赫里奥特(Herriott)池、矩阵型及其改进型等多光程装置中各光学器件是相对静止的，应用在FTIR光谱仪中无法产生变化的光程差，为此，本实用新型在设计上将这些多光程装置中的其中一个反射器件作为动镜，用以产生光程差。